基于石墨烯结构星座的子标签无载波幅度相位调制方法与流程

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及基于石墨烯结构星座的子标签无载波幅度相位调制方法。


背景技术：

2.当今社会，因为5g等各种高速通信技术的迅猛发展，传统的通信技术已经逐渐难以满足人们的需求，所以光通信系统容量的提升与技术升级迫在眉睫。为了提高光接入网络的性能，信息调制格式必须要方便识别与解调，光网络结构也需要简易高效。
3.近些年来，由于强度调制直接检测（im/dd）方法具有系统架构简单、成本低、操作简便的优点，使得业界掀起了基于im/dd方法调制格式研究的风潮。在众多可能的调制格式中，无载波幅度相位（cap）调制方法由于频谱效率高，系统简单低耗，全数字化信号处理等优点脱颖而出，在高速光通信系统取得了广泛的应用。且cap调制通过增加成型滤波器的个数，可以实现更高维度的调制，并且因为cap调制是一种全数字化的调制方法，无需有源器件支持，所以可以在无源光网络系统中得到充分应用，体现了较好的灵活性和可拓展性，成为一种极具潜力的调制格式。
4.关于如何提高通信系统的传输速率，目前两种有效的方法几何成型与概率成型广受关注。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的在于提供基于石墨烯结构星座的子标签无载波幅度相位调制方法，采用石墨烯晶体结构设计了新型星座图，并将其与子标签法相结合，实现几何成型与概率成型相结合以提升系统性能。
6.技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于石墨烯结构星座的子标签无载波幅度相位调制方法，包括如下步骤：1）以最大化cfm为原则来设计星座图，把石墨烯晶体几何结构应用为二维星座，石墨烯晶体的最小基元为正六边形，保证任意相邻的星座点之间的距离相等；2）将基于石墨烯晶体结构的星座图与子标签方法结合实现概率成型，优化星座点的概率分布，进一步降低星座的平均能量，增大星座的cfm，获得概率整形增益。
7.进一步地，所述的步骤1）具体为：1.1）首先将输入的原始的二进制数据串进行串并转换；1.2）然后进入几何成型概率成型单元，通过设计石墨烯晶体结构星座进行几何成型。
8.进一步地，所述的步骤2）具体为：2.1）使用子标签法减少符号点的数量同时实现概率成型；2.2）进行星座图映射，将并行二进制数据串映射进星座图得到符号点信息；2.3）再进入上采样单元，通过插零法降低符号间干扰，且匹配滤波器采样率；
2.4）上采样后将两路正交的信号分别输入同相滤波器与正交滤波器中进行滤波成型；2.5）最后将同相与正交信息相加完成ps
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cap
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24调制。
9.进一步地，所述的步骤1.1）具体为：调制开始首先将原始的单路二进制比特序列经过串并转化为i、q两路并行信号，然后再将两路信号进行映射。
10.进一步地，所述的步骤1.2）具体为：首先需要确定星座图中相邻星座点的最小欧氏距离，然后以最小欧氏距离为边长构造中心基元正六边形，中心基元六边形作为星座图第一层，接下来以正六边形的边长作为最小欧氏距离、以第一层正六边形为中心向外层拓展延伸设计二维星座图，拓展方法是再以中心正六边形的每个边长为边分别向外拓展第2层、第3层、第n层正六边形，最终形成了石墨烯晶体结构式星座图，这样保证星座图中任意相邻星座点之间的距离为最小欧氏距离，在固定最小欧氏距离的情况下使得星座点尽可能地向星座内部聚集，尽可能减少星座图空白区域，实现星座平均能量的最小化，使得星座的cfm值更大。
11.进一步地，所述的步骤2.1）中，具体为通过子标签法将原本用于传输信息的32个符号点减少到24个符号点，使原本概率相等的32个符号点变化为概率不等的24个符号点，实现概率成型。
12.进一步地，所述的步骤2.2）具体为，进行星座映射时，把经过串并转化的原始二进制数据映射进上述几何成型与概率成型后的石墨烯晶体结构星座中，将原始信息转变为星座点对应的符号信息，用于之后cap调制。
13.进一步地，所述的步骤2.3）具体为，对步骤2.2）得到的符号信息进行n倍上采样，使信号在频谱上n倍延拓，降低传输时符号间串扰，具体实现方法是内插法，即在符号信息串中内插0，通过上采样降低码间串扰，提升信息传输性能。
14.进一步地，所述的步骤2.4）具体为，作用于上采样后输出的i、q两路符号信息，每个波形的波峰都对应另一个波形的幅值零点位置，显然两个波形是相互正交的。
15.进一步地，所述的步骤2.5）具体为，经过同相、正交滤波器之后生成的两路并行信号在一个加法器单元的作用下合成一路信号，调制完成得到ps
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cap
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24信号。
16.发明原理：几何成型主要是通过优化或者设计星座图来实现的，过程中需要保持每个星座点的概率相同，通过尽可能的提升星座点间最小欧氏距离，从而提升星座图的品质因子（cfm），进而获得增益。而概率成型不改变星座图的形状，保持星座点之间的最小欧氏距离不变，通过改变每个星座点的传输概率，即增加内部能量较小星座点的传输概率、降低外部能量较大星座点的传输概率，从而降低平均能量，提升星座图的品质因子，获得增益。通过将概率成型和几何成型相结合可更大程度提升系统性能。
17.本发明设计了基于石墨烯晶体结构的新型二维星座图，并将其与子标签概率整形方法结合使用。本发明首先以最大化cfm为原则来设计星座图，设计了基于石墨烯晶体结构的新型星座图来实现几何成型，与传统方形星座图、星型星座图相比，以正六边形作为最小基元的石墨烯晶体结构星座图可在最小欧氏距离固定的条件下，让星座点尽可能向内部聚集，可有效降低星座图平均能量，提升cfm，获得几何整形增益。同时将基于石墨烯晶体结构的星座图与子标签方法结合实现概率成型，优化星座点的概率分布，进一步降低星座的平均能量，增大星座的cfm，获得概率整形增益。本发明的主要技术方案就是采用石墨烯晶体
结构设计了新型星座图，并将其与子标签法相结合，实现几何成型与概率成型相结合以提升系统性能。除此之外，由于石墨烯晶体几何结构在二维空间上的可无限延伸性，基于本发明技术方案的几何成型与概率成型也可用于更高阶调制格式中，为未来更高阶调制方案提供了新思路。
18.有益效果：与现有技术相比，本发明的基于石墨烯结构星座的子标签无载波幅度相位调制方法，在最大化cfm的原则下，提出并设计了基于石墨烯晶体结构的二维星座图，用于有效提升星座图的空间几何优势，同时结合子标签概率成形方法，高效提升了星座的cfm，使整个系统获得优良的传输性能。本发明将几何成型与概率成型相结合，提出了一种基于石墨烯晶体结构星座设计的二维子标签无载波幅度相位调制方法用于光通信。本发明把石墨烯晶体几何结构应用为二维星座，石墨烯晶体的最小基元为正六边形，可保证任意相邻的星座点之间的距离相等，便于在固定最小欧氏距离的情况下，使得星座点尽可能向内部聚集，降低星座点平均能量。同时本发明也采用子标签技术，在保证可传输信息量不变的情况下，减少用于传输的符号点个数，同时实现概率成型来优化星座点的概率分布，进一步降低星座的平均能量，从而增大星座图的品质因子，有效提升系统的误码率性能。
附图说明
19.图1为基于石墨烯晶体结构星座设计的cap调制方法流程图；图2为基于石墨烯晶体结构星座设计的几何整形流程图；图3为ps
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cap
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24星座图；图4为子标签法原理图（取四个符号点为例）；图5两个滤波器的波形；图6为新型ps
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cap
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24与star
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ps
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cap
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24的误码率曲线；图7为新型ps
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cap
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24的星座图；图8为star
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ps
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cap
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24的星座图。
具体实施方式
20.以下结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
21.基于石墨烯结构星座的子标签无载波幅度相位调制方法，包括如下步骤：1）以最大化cfm为原则来设计星座图，把石墨烯晶体几何结构应用为二维星座，石墨烯晶体的最小基元为正六边形，保证任意相邻的星座点之间的距离相等，在固定最小欧氏距离的情况下，使得星座点尽可能向内部聚集，降低星座点平均能量；2）将基于石墨烯晶体结构的星座图与子标签方法结合实现概率成型，优化星座点的概率分布，进一步降低星座的平均能量，增大星座的cfm，获得概率整形增益。
22.本发明的主要技术方案就是采用石墨烯晶体结构设计了新型星座图，并将其与子标签法相结合，实现几何成型与概率成型相结合以提升系统性能。
23.cap调制流程如图1所示：以基于石墨烯星座设计的ps
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cap
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24为一种实施例，其中整个cap调制的工作流程为：首先将输入的原始的二进制数据串进行串并转换，然后进入几何成型概率成型单元，通过设计石墨烯晶体结构星座进行几何成型，然后使用子标签法减少符号点的数量同时实现
概率成型；之后进行星座图映射，将并行二进制数据串映射进星座图得到符号点信息；再进入上采样单元，通过插零法降低符号间干扰，且匹配滤波器采样率；上采样后将两路正交的信号分别输入同相滤波器与正交滤波器中进行滤波成型；最后将同相与正交信息相加完成ps
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cap
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24调制。详细工作流程如下所述：（1）串并变化调制开始首先将原始的单路二进制比特序列经过串并转化为i、q两路并行信号，然后再将两路信号进行映射。
24.（2）几何成型概率成型由于石墨烯晶体结构最小基元为六元环，即它是由一个个正六边形组成的，任意相邻顶点之间的欧氏距离相等，并且石墨烯晶体结构在二维空间上有无限延伸性，所以在本发明的几何成型部分中，首先需要确定星座图中相邻星座点的最小欧氏距离，然后以最小欧氏距离为边长构造中心基元正六边形，中心基元六边形作为星座图第一层，接下来以正六边形的边长作为最小欧氏距离、以第一层正六边形为中心向外层拓展延伸设计二维星座图，拓展方法是再以中心正六边形的每个边长为边分别向外拓展第2层、第3层、第n层正六边形，最终形成了石墨烯晶体结构式星座图，这样保证星座图中任意相邻星座点之间的距离为最小欧氏距离，在固定最小欧氏距离的情况下使得星座点尽可能地向星座内部聚集，尽可能减少星座图空白区域，可以实现星座平均能量的最小化，使得星座的cfm值更大。具体流程图如图2所示。
25.本发明的一种实施例ps
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cap
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24即以上述流程进行二维星座的几何整形，设计了基于石墨烯晶体结构的二维星座图，具体星座几何结构图如图3所示。在星座图设计过程中，首先确定最小欧氏距离为1，即图中任意相邻两点之间的实线段，将其长度固定。
26.然后，构造边长为最小欧式距离的正六边形基元放置在星座中心，中心基元正六边形的顶点确定了第一层6个星座点的位置，图中每个正六边形的顶点即为星座点的位置；接着，以中心基元正六边形的六个边长为边，继续向外延伸构建出第二层6个正六边形，第二层正六边形的顶点可以确定出18个星座点的位置，经过第二层扩展即得到本实施例的星座图。从星座图我们可以发现，星座图中任意相邻星座点之间的距离即为最小欧氏距离，这样可使星座点尽可能向中心汇聚，这样就完成了24个星座点的二维星座几何成型，它的具体映射规则如表1所示。
27.表1 二维星座点映射表
在本发明的概率成型部分中，实现概率成型使用的是子标签法。此方法是一种二级映射方法，即在原本星座映射后，人为选取部分符号点通过增加冗余子标签再次映射到剩余符号点上，使一个符号点可以代表两个或多个符号点的信息，可以实现减少所需传输符号信息个数，实现星座点的压缩。具体实现方法是将码重大、传输能量大的符号点按照一定概率以某一子标签映射给码重小、传输能量小的符号点，从而实现概率成型，部分操作如图4所示。以2进制bit数据11000为例，可通过加子标签11、01、10将其以不同的概率分别映射给00000、01000、10000，这样不仅可以减少符号点数目还可以人为控制各符号点的传输概率。本实施例通过子标签法将原本用于传输信息的32个符号点减少到24个符号点，使原本概率相等的32个符号点变化为概率不等的24个符号点，子标签法虽然使符号点数目减少了，但可传输的数据量仍保持不变，同时可自适应控制剩余24个符号点被传输的概率，提高了调制系统的自适应性和灵活性。此外，通过此方法还可将几何成型和概率成型结合所产生的效益最大化。
28.通过改变向内映射符号点各个映射发生的概率，子标签法可实现概率可调的概率成型。本发明中ps
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cap
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24实施例中为了尽可能降低星座平均能量，通过调整子映射概率将星座点的传输概率划分为3个等级分别为0.10105，0.022175，0.001775，此三个等级服从于麦克斯韦玻尔兹曼概率分布，用来决定星座的概率分布模式和调制格式的信息熵。通过此方法实现了内部能量低的星座点传输概率大、外部能量大的星座点传输概率小，从而有效降低了星座的平均能量，提升了系统性能。
29.（3）星座映射进行星座映射时，需要把经过串并转化的原始二进制数据映射进上述几何成型与概率成型后的石墨烯晶体结构星座中，将原始信息转变为星座点对应的符号信息，用于之
后cap调制。
30.（4）上采样上采样是对上述得到的符号信息进行n倍上采样，使信号在频谱上n倍延拓，降低传输时符号间串扰，具体实现方法是内插法，即在符号信息串中内插0，通过上采样可降低码间串扰，提升信息传输性能。
31.（5）同相、正交滤波器同相、正交成型滤波器的作用是成型滤波，作用于上采样后输出的两路符号信息，本发明实施例ps
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cap
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24所用两个成型滤波器的波形如图5所示，从图中可明显发现每个波形的波峰都对应另一个波形的幅值零点位置，显然两个波形是相互正交的。
32.（6）合成经过同相、正交滤波器之后生成的两路并行信号在一个加法器单元的作用下合成一路信号，调制完成得到ps
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cap
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24信号。
33.实施例新型ps
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cap
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24调制误码率性能表现在模拟高斯白噪声信道仿真中，将实施例的新型ps
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cap
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24与star
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ps
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cap
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24进行了误码率性能比较，结果如图6所示。由图可知，基于石墨烯晶体结构星座设计的新型ps
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cap
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24的误码率性能明显优于基于星型星座图的star
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ps
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cap
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24的误码率性能，以误码率为10
‑3时为例，前者比后者表现出了1.5db的信噪比增益，误码率性能显著提升。其中在相同信噪比情况下，实施例的新型ps
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cap
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24的接受端星座图如图7所示，star
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ps
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cap
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24的接收端星座图如图8所示，对比两个星座图可发现，基于石墨烯晶体结构星座图的星座点对比于星型星座图明显更加内聚，表现出了明显的几何成型优势。
34.以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以作出若干改进和变型，这些改进和变型也应该视为本发明保护范围。